مهندسی محیط زیست:

 
به کوشش
محمد علی افتخار
 
محدوده مطالعاتی نیریز با مساحت 1019 كیلومتر مربع در جنوب‌شرقی حوزه آبریز دریاچه‌های طشك- بختگان و مهارلو واقع شده است. در مجموع 417 چاه برداشت در این محدوده مطالعاتی وجود دارد. حجم كل تخلیه سالانه از آبخوان آبرفتی این محدوده مطالعاتی 09/52 میلیون متر مكعب است و برای مصارف كشاورزی، آشامیدن و بهداشت و صنعت مصرف می‌شود. در این تحقیق مدل‌سازی کمی جریان آب زیرزمینی در این دشت شامل كالیبراسیون، آنالیز حساسیت و صحت‌سنجی با بهره گرفتن از برنامه کامپیوتری GMS انجام شده‌ است. بیشترین میزان خطای جذر متوسط مربعات محاسبه شده برای دوره های واسنجی و صحت سنجی، بترتیب 88/0 و 11/1 متر بدست آمده است. در بخش مدل‌سازی کیفی کانتورهای آلودگی دشت برای پارامتر آلایندگیCl– با بهره گرفتن از برنامه کامپیوتری MT3DMS، ترسیم و تحلیل شده است. گسترش آلودگی یون کلر در آبخوان به کمک نرم­افزار MT3DMS که یک برنامه سه بعدی مدولار برای شبیه­سازی پخش، انتقال، انتشار مولکولی، واكنش­های شیمیایی و جذب محلول در آب زیرزمینی می­باشد، در طول سه سال پیش ­بینی گردیده است. سپس با انتخاب چاه آب شرب جهاد سازندگی، در نزدیکی شهرک صنعتی (شهرک سنگ) و چاه آب شرب دولت آباد، واقع در شمال غرب محدوده مدل سازی، مقدار یون کلر در این دو چاه برای سه سال آینده پیش بینی گردید. با توجه به مدل کیفی تهیه شده، نتایج نشان داد که مقدار پارامتر یون کلر در آب زیرزمینی در کل دشت چه در گذشته و چه در آینده روند افزایشی دارد. این افزایش در سمت غرب دشت و منطقه صنعتی بیشتر مشاهده می شود بطوریکه پس از سه سال میزان حداکثر یون کلر mg/l 150 پیش بینی شده است. همچنین روند افزایش غلظت آلاینده در چاه آب شرب نزدیک به مرز دریاچه، نسبت به چاه آب نزدیک شهرک صنعتی بیشتر است (mg/l 15 افزایش، در مقایسه با mg/l 7 افزایش طی سه سال).
 
کلید واژه: آب­های زیر زمینی، مدل­سازی، دشت نیریز، GMS.
 
 
 
فهرست مطالب
 
 
عنوان                                         صفحه
 
فصل اول: مقدمه
1-1- اهمیت آب در عصر حاضر و در ایران…….. 2
1-2- منابع آب در ایران و مسائل مربوط به آن.. 4
1-3- ضرورت به کارگیری مدل‌ها در مطالعه آب‌های زیرزمینی  6
1-4- هدف……………………………… 8
1-5- ساختار پایان نامه ………………….. 9
 
فصل دوم: تئوری تحقیق
2-1- مقدمه……………………………. 11
2-2- منابع آلودگی آبهای زیرزمینی…………. 11
2-3- مشكلات مرتبط با كیفیت آب در مصرف كشاورزی…. 13
2-3-1- شوری (Salinity)……………………. 14
2-3-2- نسبت نفوذ آب…………………… 15
2-3-3- فلزات سنگین(Heavy Metals)…………… 15
2-4- انواع مدل‌های آب‌های زیرزمینی………… 18
2-4-1- تفاوت مدل‌های تحلیلی و مدل‌های عددی آب‌های زیرزمینی  21
2-5- معادلات پایه جریان در آب زیرزمینی…… 22
2-5-1- قانون دارسی…………………… 22
عنوان                                         صفحه
 
2-5-2- معادله پیوستگی………………… 24
2-6- حل معادلات حاكم بر جریان در آبهای زیرزمینی    28
2-6-1- روش عناصر محدود……………….. 28
2-6-2- روش تفاضلات محدود………………. 29
2-6-3- مزایای روش تفاضلات محدود………… 30
2-6-4- روش‌های حل معادلات جریان در روش تفاضلات محدود   30
2-6-4-1- روش مستقیم………………… 31
2-6-4-2- روش تكرار…………………. 31
2-6-4-3- روش صریح (Explicit)…………….. 32
2-6-4-4- روش ضمنی (Implicit)…………….. 33
2-6-5- شبیه‌سازی حالت ماندگار………….. 35
2-6-6- خطاها در مدل‌سازی آبهای زیرزمینی…. 35
2-7- تئوری های مربوط به انتشار آلودگی در محیط های متخلخل  36
2-7-1- انتقال (Advection)……………….. 36
2-7-2- پخش مکانیکی (Mechanical Dispersion) ……. 38
2-7-3- انتشار ملکولی (Molecular Diffusion)……. 40
2-7-4- جذب (Sorption)…………………… 41
2-7-5- معادلات حاکم بر پخش و انتقال آلودگی. 42
2-8 – روش های حل معادله انتقال ماده در محیط متخلخل    46
2-9- نرم‌افزارهای شبیه‌سازی جریان و پخش و انتقال آلودگی در آب‌های زیرزمینی……………………………… 48
2-9-1-MODFLOW ………………………. 48
2-9-2- Visual MODFLOW…………………… 50
2-9-3- MIKESHE……………………….. 50
2-9-4- Finite Element Flow; FEFLOW…………….. 50
عنوان                                         صفحه
 
2-9-5- CTRAN/W……………………….. 51
2-9-6-(GMS) Groundwater Modeling System …………. 51
2-9-6-1 – Map Module………………….. 53
2-9-6-2- TIN Module…………………… 54
2-9-6-3- 2D scatter point Module…………….. 55
2-9-6-4- Solid module…………………… 56
2-9-6-5- 2D Mesh Module………………… 56

2-9-6-6- 2D grid Module…………………. 56
2-9-6- 7- 3D Mesh Module……………….. 56
2-9-6- 8 2D grid Module-…………………. 56
2-9-6-9-3D scatter point Module …………….. 57
2-9-6-10- Modflow …………………… 57
2-9-6-11- برنامه MT3D ……………… 58
2-9-6-12- برنامه MODPATH ………….. 59
 
فصل سوم: پیشینه تحقیق
3-1- پیشگفتار…………………………. 61
3-2- بر کارهای انجام شده…………. 61
 
فصل چهارم: روش تحقیق
4-1- محدوده مطالعاتی…………………… 71
4-2- هواشناسی ………………………… 73
4-2-1- ایستگاه‌های هواشناسی …………… 74
عنوان                                         صفحه
 
4-2-2- دما …………………………. 74
4-2-3- باران ……………………….. 76
4-2-4- تبخیر ……………………….. 79
4-3- آب‌های سطحی……………………….. 80
4-3-1- ایستگاه‌های هیدرومتری محدوده مطالعاتی نیریز   81
4-4- آب‌های زیرزمینی …………………… 83
4-5- بیلان آب………………………….. 87
4-5-1- بیلان آب زیرزمینی آبخوان آبرفتی….. 88
4-5-1-1- جریان زیرزمینی ورودی و خروجی… 88
4-5-1-2- نفوذ از بارندگی به آبخوان…… 89
4-5-1-3- تبادل آب رودخانه‌ها و آبخوان آبرفتی   91
4-5-1-4- مصارف آب و نفوذ از آنها به آبخوان 92
4-5-1-5- تخلیه و برداشت از آبخوان آبرفتی آب زیرزمینی   92
4-5-1-6- تبخیر از آب زیرزمینی……….. 93
4-5-1-7- نوسانات سطح آب زیرزمینی…….. 94
4-5-1-8- تغییرات ذخیره……………… 94
4-6- بیلان عمومی آب در محدوده مطالعاتی نیریز. 95
4-7- مراحل مدلسازی و ارائه مدل شبیه ساز حوضه 97
4-7-1- طرح مفهومی……………………. 97
4-7-2- طرح هندسی مدل…………………. 98
4-7-2-1- شبکه بندی آبخوان…………… 98
4-7-2-2- تعیین نوع آبخوان…………… 99
4-7-2-3- تعیین ارتفاع توپوگرافی و رقوم سنگ کف 99
4-7-3- تعیین شرایط اولیه و انتخاب گام های زمانی 101
عنوان                                         صفحه
 
4-7-4- تعیین مقادیر تغذیه و تخلیه سلول­ها.. 102
4-7-4-1- چاه های بهره برداری، چشمه و قنات 102
4-7-4-2- تغذیه سطحی………………… 103
4-7-4-3- تبخیر…………………….. 103
4-7-4-4- رودخانه…………………… 103
4-7-5- تعیین مقادیر ضرایب هیدرودینامیکی.. 105
4-7-6- تعیین نوسانات سطح آبخوان………. 106
4-7-7- تعیین شرایط مرزی آبخوان……….. 107
4-8- مراحل مدلسازی مدل کیفی…………… 108
4-8-1- مراحل مدلسازی و ارائه مدل شبیه ساز حوضه   108
4-8-2- ایجاد مدل مفهومی کیفی………….. 109
4-8-2-1- تعیین خواص آبخوان………….. 109
4-8-2-2- نقاط پایش کیفی…………….. 110
4-8-2-3- تعیین شرایط مرزی…………… 111
 
فصل پنجم: نتایج
5-1- مقدمه……………………………. 113
5-2- نتایج حاصل از مدل در حالت ماندگار….. 114
5-2-1- واسنجی……………………….. 114
5-2-2- آنالیز حساسیت ………………… 120
5-2-3- صحت سنجی……………………… 122
5-3– نتایج حاصل از مدل کیفی در حالت ماندگار 126
5-3-1- کانتورهای آلودگی دشت…………. 126
عنوان                                         صفحه
 
5-3-2- واسنجی……………………….. 132
5-3-3- صحت سنجی……………………… 134
5-4- پیش ­بینی گسترش آلاینده یون کلر در آبخوان و در چاه های منتخب
با بهره گرفتن از نرم افزار MT3DMS………… 136
5-4-1- پیش بینی تغییرات غلظت یون کلر در آبخوان نیریز از سال 1392
تا 1395……………………………. 136
5-4-2- پیش بینی تغییرات غلظت یون کلر در چاه های منتخب.   138
 
فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادها
6-1- مقدمه…………………………… 142
6-2- نتیجه گیری………………………. 142
6-3- پیشنهادات……………………….. 144
 
فهرست منابع……………………………. 145
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
 
 
عنوان                                         صفحه
 
جدول 2-1- توصیه های FAO برای كیفیت آب مصرفی در آبیاری و كشاورزی 14
جدول 2-2- طبقه بندی آبهای مصرفی جهت کشاورزی بر اساس میزان EC  15
جدول 2-3- حداکثر میزان مجاز فلزات سنگین در آب مصرفی آبیاری   17
جدول 2-4- مقادیر مجاز فلزات سنگین در آب مصرفی آشامیدن   18
جدول 4- 1- مشخصات ایستگاه‌های هواشناسی واقع در محدوده مطالعاتی نیریز………………………………….. 79
جدول 4-2- آمار ماهانه هواشناسی محدوده مطالعاتی نیریز و ایستگاه‌های مبنا…………………………………… 80
به تفكیک دشت و ارتفاعات…………………. 90
جدول 4-3- بیلان آبخوان آبرفتی محدوده مطالعاتی نیریز 91
جدول4-4- نحوه محاسبه ورودی و خروجی آب‌های زیرزمینی آبخوان آبرفتی نیریز………………………………….. 93
جدول 4-5- میزان مصارف آب به تفكیک ارتفاعات و دشت بر حسب مصارف
كشاورزی، شرب و صنعت در محدوده مطالعاتی نیریز 93
جدول 4-6- آمار تخلیه و برداشت از آبخوان آبرفتی محدوده مطالعاتی نیریز………………………………….. 96
جدول 4-7- بیلان عمومی آب در محدوده مطالعاتی نیریز .  102
جدول 4-8- مقادیر تغذیه سطحی اعمال شده…….. 104
جدول 4-9- موقعیت چاه های مشاهده ای……….. 106
جدول 5-1- ضرایب هدایت هیدرولیکی (Kx=Ky) بدست آمده از واسنجی
در دوره های مختلف یک ماهه………………. 114
 
عنوان                                         صفحه
 
جدول 5-2- نتایج مرحله واسنجی در ماه مهر سال 1387.   116
جدول 5-3- نتایج مرحله واسنجی دراردیبهشت سال 1388.   117
جدول 5-4- نتایج مرحله واسنجی درمهر سال 1388.. 118
جدول 5-5- نتایج مرحله واسنجی اردیبهشت سال 1389. 119
جدول 5-6- ضرایب هدایت هیدرولیکی نهایی…….. 120
جدول 5-7- نتایج مرحله صحت سنجی در مهر 1390… 123
جدول 5-8- نتایج مرحله صحت سنجی در مهر 1391… 124
جدول 5-9- املاح نمک های محلول در آب دریا…… 128
جدول (5-10) طبقه بندی شوری بر حسب کلر موجود در آب   129
جدول 5-11- مقادیر تخلخل و ضریب پخش طولی…… 132
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل ها
 
 
عنوان                                         صفحه
 
شکل 2-1- اثرات فلزات سنگین با تغییر غلظت بر سلولهای زنده 16
شکل 2-2- نمونه ای از یک مدل فیزیکی برای شبیه‌سازی نحوه ورود آب به دریاچه…………………………………. 18
شکل 2-3- نمونه‌ای از مدل آنالوگ در شبیه‌سازی جریان آب زیر­زمینی 19
شکل2-4- نحوه تغییرات هد در ستون ماسه در آزمایش دارسی    23
شکل2-5- جریان ورودی و خروجی از المان حجمی…. 24
شكل 2-6- هیدروگراف برای سلول……………… 33
شکل 2-7-الف- فرایند انتقال در حالت منبع پیوسته 37
شکل 2-7-ب- فرایند انتقال در حالت منبع لحظه ای 37
شکل 2-8- فرایند پخش در محیط متخلخل………… 39
شکل 2-9- المان حجمی محیط متخلخل…………… 44
شکل 4-1- محدوده مطالعاتی نیریز……………. 72
شکل 4-2- محل قرارگیری ایستگاه های هواشناسی… 75
شکل 4-3- منحنی‌های هم‌دمای محدوده مطالعاتی نیریز همراه با ایستگاه‌های
استفاده شده در رسم آنها در نقشه………….. 77
شکل 4-4- منحنی‌های هم‌باران محدوده مطالعاتی نیریز همراه با ایستگاه‌های
استفاده شده در رسم آنها…………………. 78
شكل 4-5- نمودار شماتیک رودخانه‌های محدوده مطالعاتی نیریز 81
 
عنوان                                         صفحه
 
شکل 4-6- منحنی‌های هم تبخیر محدوده مطالعاتی نیریز همراه با ایستگاه‌های
استفاده شده در رسم آنها…………………. 82
شکل 4-7- تراز آب‌های زیرزمینی در محدوده نیریز. 85
شكل4-8- هیدروگراف واحد آبخوان آبرفتی محدوده مطالعاتی نیریز و نمودار
بارندگی ایستگاه باران‌سنجی نیریز…………… 86
شکل 4-9- وضعیت شبکه بندی سلول های فعال……. 99
شکل 4-10- توپوگرافی محدوده مدل سازی شده در نرم افزار.   100
شکل 4-11- ارتفاع سنگ کف محدوده مدل سازی شده در نرم افزار.   100
شکل 4-12- موقعت چاه­ها در مدلسازی…………. 102
شکل4-13- نحوه ی تقسیم بندی Recharge منطقه……. 104
شکل 4-14- محدوده های ضریب هدایت هیدرولیکی…. 105
شکل 4-15- شرایط مرزی منطقه نیریزدر سال 1386.. 108
شکل 4-16- محدوده های تقسیم بندی ضریب پخش و تخلخل.   109
شکل 4-17- محل نقاط پایش کیفی در آبخوان نیریز. 110
شکل 4-18- شرایط مرز Specified concentrationدر منطقه…. 111
شکل 5-1- حساسیت مدل نسبت به تغییرات پارامتر هدایت هیدرولیکی. 121
شکل 5-2- حساسیت مدل نسبت به تغییرات پارامتر تغذیه سطحی. 121
شکل 5-3- هد مشاهده ای و محاسباتی برای ماه مهر سال 1390. 122
شکل 5-4- هد مشاهده ای و محاسباتی برای ماه مهر سال 1391. 122
شکل 5-5- هد هیدرولیکی منطقه نیریز……….. 125
شکل 5-6- موقعیت قرارگیری چاه­های پایش کیفی آبخوان نیریز.    127
شکل 5-7- کانتورهای آلاینده Cl– در سال 1389…. 130
شکل 5-8- کانتورهای آلاینده Cl– در سال 1390… 131
شکل 5-9- کانتورهای آلاینده Cl– در سال 1391…. 131
عنوان                                         صفحه
 
شکل 5-10- نتایج واسنجی مدل کیفی سال 1391….. 133
شکل 5-11- وضعیت نقاط مشاهده ای کیفی پس از واسنجی
مدل کیفی سال 1391………………………. 133
شکل 5-12- وضعیت نقاط مشاهده ای کیفی پس از صحت سنجی
مدل کیفی سال 1392………………………. 134
شکل 5-13- نتایج صحت سنجی مدل کیفی سال 1392… 135
شکل 5-14- کانتورهای آلاینده Cl- در سال 1392…. 136
شکل 5-15- کانتورهای آلاینده Cl- در سال 1393…. 137
شکل 5-16- کانتورهای آلاینده Cl- در سال 1394…. 137
شکل 5-17- کانتورهای آلاینده Cl- در سال 1395…. 138
شکل 5-18- محل چاه های انتخابی در آبخوان نیریز. 139
شکل 5-19- مقدار غلظت یون کلر در چاه آب شرب جهاد سازندگی از سال 91 تا 95………………………………. 140
شکل 5-20- مقدار غلظت یون کلر در چاه آب شرب دولت آباد از سال 91 تا 95………………………………….. 140
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل اول

 
 
 
 
 
 
مقدمه
 
 
1-1- اهمیت آب در عصر حاضر و در ایران
 
در طول تاریخ زندگی بشر آب همواره به عنوان یک عامل اساسی مورد توجه بوده و با افزایش جمعیت و پیشرفت در کشاورزی و صنایع، اهمیت آن افزایش یافته ‌است [1]. انسان‌ها از ابتدا در کنار منابع آب نظیر رودخانه‌ها تجمع می‌کردند و به فعالیت می‌پرداختند. می‌توان گفت آب از مهم‌ترین عامل توسعه در جهان بوده ‌است. بیش از 97 درصد منابع آبی کره زمین غیر قابل استفاده برای کشاورزی بوده (آب اقیانوس‌ها و دریاها)، حدود 2 درصد آن به صورت یخ در قطب‌ها بوده و تنها حدود یک درصد آن قابل دسترس می‌باشد.